KR20090120282A - 역 ｔ형태의 기생 패치를 구비한 초광대역 모노폴 안테나 - Google Patents

역 ｔ형태의 기생 패치를 구비한 초광대역 모노폴 안테나 Download PDF

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Abstract

역 T형태의 기생 패치를 구비한 초광대역 모노폴 안테나가 개시된다. 역 T형태의 기생 패치를 구비하여 다양한 주파수 영역에 사용 가능한 초광대역 모노폴 안테나에 있어서, 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 일측면에 형성되고 적어도 하나 이상의 노치를 구비한 주 복사체, 상기 주 복사체의 하단부 및 상기 일측면의 하단부 가장자리를 연결하는 급전부, 상기 유전체 기판의 타측면에 형성되고 역 T 형상을 갖는 기생 복사체 및 상기 기생 복사체와 이격되며 상기 타측면의 하단부에 위치한 접지부를 포함한다.
주 복사체, 기생 복사체, 노치, 급전부, 접지부

Description

역 Ｔ형태의 기생 패치를 구비한 초광대역 모노폴 안테나 {ULTRA-WIDEBAND PLANAR MONOPOLE ANTENNA WITH AN INVERTED T-SHAPED PARASITIC PATCH}
본 발명은 역 T형태의 기생 패치를 구비한 초광대역 모노폴 안테나에 관한 것으로 특히, 역 T형태의 기생 복사체를 구비하여 다양한 사용주파수 영역의 통신 시스템용 안테나 및 이동 통신 서비스를 제공하기 위한 단말기용 안테나 등에 사용 가능한 초광대역 모노폴 안테나에 관한 것이다.
초광대역 시스템은 중심 주파수의 20 % 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 500 MHz 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술 시스템으로 정의한다.
2002년 2월 미국 연방통신위원회 (FCC : Federal Communication Commission)가 UWB (3.1GHz ～ 10.6 GHz)의 상용 사용을 인가함으로서 미국의 군사용 무선 기술로 개발되어 오던 기술이 일반 통신에 개방되었다. 이 기술은 반송파를 이용하지 않고 펄스 변조한 신호를 그대로 공간에 복사한다. UWB는 기존의 무선 통신의 영역 이외에 거리의 계측 (location awareness)이나 레이더 기술에도 응용이 가능하다.
UWB 시스템은 디지털 부호 정보를 나노 세컨드 (10-9) 이하의 매우 짧은 폭을 가지는 임펄스 신호로 변환해서 무선으로 전송하는 기술로 광 통신과 같은 수백 Mbps의 초고속 통신이 가능하며, 매우 낮은 송신 전력의 사용으로 배터리가 기존 무선 통신 방식보다 수십 배 이상 오래 사용할 뿐 아니라, 송수신 장치도 획기적으로 소형화 할 수 있어 기존의 무선 통신 한계를 극복할 수 있는 기술로 기대되고 있다. UWB 시스템의 신호는 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있으므로 주파수 영역에서의 전력 밀도 값을 아주 작은 값으로 할 수 있어 다른 통신 신호가 존재하는 주파수에 중첩되어 사용하더라도 간섭을 거의 주지 않을 수 있다는 점에 착안하고 있다. 초기에 제안된 UWB 통신 신호는 아주 짧은 신호 펄스를 사용함으로써 넓은 주파수 대역을 얻었으나 현재는 CDMA (Code Division Multiple Access:부호 분할 다중 접속), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing:직교 주파수 분할 다중)등의 여러 가지 변형된 형태의 UWB 방식이 있다.
이러한 UWB 시스템 및 다양한 이동 통신 서비스 등에 있어서, 소형으로 제조가 가능하고, 대량 생산이 가능한 광대역 특성을 갖는 안테나가 절실히 요구된다.
본 발명은 저가의 FR4기판을 사용하고 단순한 안테나 디자인을 구현함으로써, 제조 단가를 낮추고 생산성 효율을 높이는 초광대역 모노폴 안테나를 제공한다.
본 발명은 역 T형태의 기생 복사체를 구비한 안테나를 구현함으로써, 주 복사체가 갖는 최저 주파수 특성을 극대화 하여 더욱더 낮은 주파수 대역의 임피던스 대역을 향상시키는 초광대역 모노폴 안테나를 제공한다.
본 발명은 주 복사체에 노치를 형성한 안테나를 구현함으로써, 중간 주파수 및 높은 주파수 대역의 임피던스 특성을 향상시키는 초광대역 모노폴 안테나를 제공한다.
본 발명은 주 복사체와 접지부가 중첩되지 않도록 일면의 하단부 일부분에만 접지부를 형성한 안테나를 구현함으로써, 전방향성의 복사패턴을 가지는 초광대역 모노폴 안테나를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 모노폴 안테나는, 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 일측면에 형성되고 적어도 하나 이상의 노치를 구비한 주 복사체, 상기 주 복사체의 하단부 및 상기 일측면의 하단부 가장자리를 연결하는 급전부, 상기 유전체 기판의 타측면에 형성되고 역 T 형상을 갖는 기생 복사체 및 상기 기생 복사체와 이격되며 상기 타측면의 하단부에 위치한 접지부 를 포함한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 유전체 기판은 FR4 기판일 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 주 복사체와 상기 기생 복사체는 상기 유전체 기판의 전면부 및 후면부에 배치되고, 서로 이격되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 하나 이상의 노치는, 서로 다른 크기의 제 1노치 및 제 2노치로 구성되고, 상기 주 복사체와 동일 평면상에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 주 복사체를 상기 타측면으로 투과시키는 경우 상기 접지부와 중첩되지 않도록 상기 주 복사체 및 상기 접지부를 배치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 저가의 FR4기판을 사용하고 단순한 안테나 디자인을 구현함으로써, 제조 단가를 낮추고 생산성 효율을 높이는 초광대역 모노폴 안테나가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 역 T형태의 기생 복사체를 구비한 안테나를 구현함으로써, 주 복사체가 갖는 최저 주파수 특성을 극대화 하여 더욱더 낮은 주파수 대역의 임피던스 대역을 향상시키는 초광대역 모노폴 안테나가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 주 복사체에 노치를 형성한 안테나를 구현함으로써, 중간 주파수 및 높은 주파수 대역의 임피던스 특성을 향상시키는 초광대역 모노폴 안테나가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 주 복사체와 접지부가 중첩되지 않도록 일면의 하단부 일부분에만 접지부를 형성한 안테나를 구현함으로써, 전방향성의 복사패턴을 가지는 초광대역 모노폴 안테나가 제공된다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, 초광대역 모노폴 안테나를 도시한 흐름도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 안테나는 기판(110), 노치(120,130), 급전부(140), 복수의 복사체(150,160), 접지부(170)를 포함한다.
기판(110)은 소정의 유전율을 가지며, RF신호의 매질에 해당한다. 본 발명에 따른 기판(110)은 유전율(εr)이 4.4, 높이 1.6 mm의 범용적으로 사용되는 글라스 에폭시 기판(FR-4) 일 수 있다. 즉, FR-4 기판을 사용함으로써 본 발명에 따른 안테나 는 저비용으로 대량 생산될 수 있다.
한편, 상기 기판(110)의 적어도 일면의 소정 영역에 접지부(170)가 형성된다. 접지부(170)는 기판(110)의 하단부에 직사각형의 도체로 구성될 수 있으며, 전기적인 접지를 제공하며 시스템 접지에 연결되어 사용 될 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 접지부(170)를 포함하는 안테나의 전체 크기는 17 mm × 17 mm × 1.6 mm 사이즈로 제공 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 접지부(170)로부터 이격 배치된 두 개의 복사체(150,160)가 제공된다. 여기서 복사체는 적어도 하나 이상 존재하며, 상기 하나 이상의 복사체를 통해 전자기파의 복사가 이루어진다.
본 발명에 따르면, 두 개의 복사체(150,160)는 기판(110)의 일측면과 타측면(ex. 전면부와 후면부)에 서로 이격되어 제공되며, 기판(110)의 전면부에 주 복사체(150) 및 기판(110)의 후면부에 기생 복사체(160)를 포함할 수 있다. 여기서, 주 복사체와 기생 복사체의 크기는 각각 는 17 mm × 11 mm 그리고 7 mm × 6.5 mm일 수 있다. 접지부(170)와 기생 복사체(160)는 일정한 간격을 두고 형성되어 있으며, 접지부(170)와 주 복사체(150)는 중첩되지 않게 즉, 정면에서 안테나를 바라 볼 경우 주 복사체(150)와 접지부(170)가 겹치지 않게 형성되어 있다. 다시말해, 주 복사체(150)를 기생 복사체(160)가 배치된 후면부로 투과시키는 경우 상기 접지부(170)와 중첩되지 않도록 주 복사체(150) 및 접지부(170)를 배치한다. 따라서 주 복사체(150)에 의해 복사되는 전자기파가 접지부(170)에 차폐됨이 없이 방출될 수 있으며, 일반적인 모노폴 안테나와 유사한 전방향성의 복사 특성을 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 주 복사체(150) 및 기생 복사체(160)가 기판(110)의 전·후면에 형성되어 안테나의 높이의 제약을 제거하였다. 그러나 본 발명의 또다른 실시예에서는, 주 복사체(150) 및 기생 복사체(160)가 기판(110)의 전·후면에 형성되는 경우뿐만 아니라 기판(110)으로부터 이격되어 배치될 수 있 다.
본 발명의 초광대역 모노폴 안테나는, 주 복사체(150)를 포함하고 있는 기판의 하단에 급전부(140)를 포함하고 있으며, 급전부(140)는 폭 1.6 mm를 가지고 제1 노치(120)와 제2 노치(130)의 시작점 사이에서 연장되어 기판(110)의 하단부까지 연장되어 있다.
본 발명에 따른 노치(120,130)는 기판(110) 전면부의 주 복사체(150)와 동일 평면상에 형성된다. 이때, 노치(120,130)의 폭과 길이에 따라서 초광대역의 중간 주파수 대역과 높은 주파수 대역을 쉽게 임피던스 정합 시킬 수 있다.
여기서, 상기 일실시예에 따른 초광대역 모노폴 안테나의 치수는 아래 표 1과 같다.
[표 1]
치수 값
전체크기 W × L 17 mm × 23 mm
안테나 복사체 W × L p 17 mm × 17 mm
안테나 접지 W × L g 17 mm × 4 mm
기생 복사체 P w × P L 7 mm × 5 mm
역 T형태 기생 복사체 너비 P S 2 mm
복사체와 접지 거리 M D , P D 2 mm, 4 mm
제1 노치 W 1 × L 1 4.5 mm × 3 mm
제2 노치 W 2 × L 2 4.5 mm × 6 mm
따라서, 상기와 같은 초광대역 모노폴 안테나의 단순한 디자인을 통해 제조 단가를 낮추고 생산성 효율을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 주 복사체에 노치의 삽입유무에 따른 반사손실(Return Loss) 측정값을 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 주 복사체의 좌우측 하단 모서리에 길이가 서로 다른 노치를 삽입했을 때 그 유무에 따른 주파수별 반사 손실(return loss)의 측정값이 도시되어 있다. 먼저, 단순한 사각 형태의 복사체를 갖는 안테나에 대한 곡선(210)을 살펴보면, 약 2.5 GHz와 3.7 GHz 주파수에서 각각 공진이 발생하여 약 2.2 GHz ~ 4.7 GHz 대역에서 10 dB 반사 손실 값을 갖는다.
제1 노치를 삽입한 안테나에 대한 그래프(220)를 살펴보면, 약 4 GHz ~ 6.5 GHz 대역에서 임피던스 정합이 향상됨을 볼 수 있다.
그리고, 제1 및 제2 노치를 삽입한 안테나에 대한 그래프(230)를 살펴보면, 6 GHz 이상의 대역에서 임피던스 정합이 향상되어 Wibro (2.3 GHz ~ 2.39 GHz), WLAN (2.4 GHz ~ 2.483 GHz), S-DMB (2.605 GHz ~ 2.655 GHz), 그리고 UWB (3.1 GHz ~ 10.6 GHz) 서비스 대역들에 대해서 반사 손실 값이 10 dB을 만족시킨다.
즉, 제1 및 제2 노치를 삽입한 안테나의 경우 중간 주파수 및 높은 주파수 대역에서 임피던스 정합이 향상되어 다양한 이동 통신 서비스 대역에 대해 반사 손실 값이 10 dB을 만족시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 안테나 기판 후면에 역 T형태의 기생패치를 삽입함에 따른 반사손실 (Return Loss) 시뮬레이션 값(310) 및 실측정값(320)을 나타낸 도면이다.
도 3을 참고하면, 기생 복사체를 형성한 안테나는 전반적인 모든 대역에서의 반사 손실 값이 향상된 것을 확인할 수 있으며, 특히 약 1.92 GHz ~ 2.1 GHz의 저주파수 대역에서 임피던스 대역폭의 향상을 보였고, 약 4 GHz ~ 6GHz 사이에서도 임피던스 정합이 향상되었다.
따라서 주 복사체의 노치와 기생 복사체를 형성함으로써 초광대역 특성을 얻을 수 있음을 확인 할 수 있다.
또한, 도 3에서는, 각 통신 시스템에 대한 주파수 범위를 표시하였다. 주파수의 범위는 각각 WCDMA (1.92 GHz ~ 2.17 GHz)(330), Wibro (2.3 GHz ~ 2.39 GHz) (340), WLAN (2.4 GHz ~ 2.483 GHz) (350), S-DMB (2.605 GHz ~ 2.655 GHz) (360), 및 UWB (3.1 GHz ~ 10.6 GHz) (370)이다.
따라서, 본 발명의 초광대역 모노폴 안테나는 상기 각 통신시스템에 대해 모두 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 있어서, 안테나의 위상차(Phase Delay)를 나타낸 도면이다.
도 4는, 안테나의 위상차(Phase delay)의 측정값을 나타낸 그래프인데 여기서 위상차란 서로 안테나들이 송수신을 하는 경우 통신을 하면서 발생 하는 위상차가 어느정도 오차가 있는지 측정하여 얼마나 오류 없이 정보를 송수신 할 수 있는지를 나타내는 지표로서 활용된다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 주파수 별 위상차의 변동 범위는 1 ns 내에서 유지된다.
따라서, 본 발명의 초광대역 모노폴 안테나를 통해 데이터 송수신하는 경우, 극히 적은 오류범위 내에서 송수신이 가능할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 안테나의 주파수에 따른 복사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 도면부호 510 내지 530에서 실선은
Figure 112008035348050-PAT00001
를 점선은
Figure 112008035348050-PAT00002
를 나타낸다.
도면부호 510은, 2 GHz 부근에서 복사패턴을 나타낸 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 모노폴 안테나는 저주파수인 2 GHz 부근에서 일반적인 모노폴 안테나와 유사한 전방향 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도면부호 520은, 5 GHz 부근에서 복사패턴을 나타낸 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 중간 주파수인 5 GHz 부근에서 일반적인 모노폴 안테나와 유사한 전방향 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도면부호 530은, 8 GHz 부근에서 복사패턴을 나타낸 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 고주파수인 8 GHz 부근에서 일반적인 모노폴 안테나와 유사한 전방향 특성을 나타냄을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 안테나는 저주파수부터 고주파수까지 모두 일반적인 모노폴 안테나와 유사한 전방향 특성을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 안테나의 주파수 대 이득의 측정값을 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 여기서 실시예에 따른 안테나는 모든 주파수 대역에서 0 dBi 이상의 이득 특성을 만족 시키는 것을 알 수 있다.
상기에서 살펴보았듯이, 본 발명에 따른 초광대역 모노폴 안테나는 역 T형태의 기생 복사체를 구비한 안테나를 구현함으로써, 주 복사체가 갖는 최저 주파수 특성을 극대화 하여 더욱더 낮은 주파수 대역의 임피던스 대역을 향상시키고, 주 복사체에 노치를 형성한 안테나를 구현함으로써, 중간 주파수 및 높은 주파수 대역의 임피던스 특성을 향상시켰으며, 주 복사체와 접지부가 중첩되지 않도록 일면의 하단부 일부분에만 접지부를 형성한 안테나를 구현함으로써, 전방향성의 복사패턴을 가지는 초광대역 모노폴 안테나를 구현할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, 초광대역 모노폴 안테나를 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 주 복사체에 노치의 삽입유무에 따른 반사손실(Return Loss) 측정값을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 안테나 기판 후면에 역 T형태의 기생패치를 삽입함에 따른 반사손실 (Return Loss) 시뮬레이션 값 및 실측정값을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 있어서, 안테나의 위상차(Phase Delay)를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 안테나의 주파수에 따른 복사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 안테나의 주파수 대 이득의 측정값을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 기판 120 : 제2 노치
130 : 제2 노치 140 : 급전부
150 : 주 복사체 160 : 기생 복사체
170 : 접지부

Claims (5)

  1. 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 일측면에 형성되고 적어도 하나 이상의 노치를 구비한 주 복사체;
    상기 주 복사체의 하단부로부터 상기 일측면의 하단부로 연장되는 급전부;
    상기 유전체 기판의 타측면에 형성되고 역 T 형상을 갖는 기생 복사체; 및
    상기 기생 복사체와 이격되며 상기 타측면의 하단부에 위치한 접지부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체 기판은 FR4 기판인 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 안테나.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 주 복사체와 상기 기생 복사체는 상기 유전체 기판의 전면부 및 후면부에 배치되고, 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 안테나.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 노치는,
    서로 다른 크기의 제 1노치 및 제 2노치로 구성되고, 상기 주 복사체와 동일 평면상에 배치되는 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 안테나.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 주 복사체를 상기 타측면으로 투과시키는 경우 상기 접지부와 중첩되지 않도록 상기 주 복사체 및 상기 접지부를 배치하는 것을 특징으로 하는 초광대역 모노폴 안테나.
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